铸造焦炭与铁焦比回眸.pdf

·298·铸 造FOUNDRYMar．2017VOI．66 N0．3铸造焦炭与铁焦比回眸张 明(威海科兴铸造机械有限公司，山东威海264205)摘要：回顾了中华人民共和国成立以后中国冲天炉用铸造焦炭和型焦的发展历程，分析了冲天炉铁焦比观念曲折进步的过程，侧面反映了中国工业技术的发展和进步，对研究中国工业专业史有一定参考意义。关键词：冲天炉；铸造焦；型焦；铁焦比中图分类号：TG232．1 文献标识码：B 文章编号：1001—4977(2017)03—0298—05Historical Retrospect on the Foundry Coke and Ratio ofIron and CokeZHANG Ming(Weihai Kexing Foundry Machinery Co．，Ltd．，Weihai 264205，Shandong，China)Abstract：The development history of the foundry coke and the formcoke have been reviewed,and tortuousprogress on the concept ofratio ofiron and coke has also been analysis for the cupola furnace after the foundingof the People’S Republic of China．China's industrial technology development and progress has been reflectedfrom one side，have certain reference significance for study ofhistory ofChinese industry professional．Key words：cupola fumace；foundry coke；formcoke；ratio of iron and coke；history．中华人民共和国成立初期，冲天炉所用焦炭的质量状态，可在有关历史文献中搜寻到一些印迹，例如李香洲先生1951年在《采用合金铸铁提高机器质量》【·1一文中称：东北一般工业上使用之焦炭，分为铸造用及制铁用两种，铸造用的焦炭，成分较佳；其化学成分约略如表1。表1铸造用焦炭化学成分Table 1 Casting coke chemical composition成分，wd％ 热值种类琢万巧丽_磊r百—百—丽■／(k。。l／kg)铸造用1号0．26 12．58 85．53 0．27 0．06 0．46 6 930铸造用2号0．48 12．94 85．27 0．25 0．22 0．60 7 069上述内容反映了共和国成立初期，中国东北地区即存在铸造焦的事实，其中固定碳的质量分数在85％以上。在陈农先生1950年完稿、1952年出版的《现代铸工》中，可以找到一些关于当时焦炭质量、铁焦比等方面的数据[21： “我国焦炭的品质，大多不甚佳良，颇难达到12％的焦炭比率，焦炭的含灰分竟有高至15％～20％者，因此焦炭的比率常在20％～25％间。” “焦炭成分：碳80．19％，铁1．21％，硫1．30％，灰份10．40％，水分6．70％。”“焦炭消费量：平均16．6％，装料层内1：6．25 0”考虑到陈农先生的履历和大东书局的所在地，上文或可反映新中国成立初期及至民国期间，上海地区冲天炉用焦炭的质量和铁焦比水平。上述两段零星的文献材料，记录和反映了共和国成立初期焦炭质量状态与冲天炉铁焦比的历史概貌。1铸造焦回眸共和国成立到1980年代前，只有北京焦化厂、上海吴淞炼焦制气厂可为铸造厂提供少量适合于冲天炉使用的铸造焦。中国冲天炉多使用气化焦(di60％)、冶金焦(35％)和地方土焦(5％)嘲。1962年灶海机械》刊登了《国外冲天炉用燃料的发展概况》[4]，该文介绍了当时包括前苏联、英、法、德、美等国冲天炉焦炭的质量状况，作者署名猷(疑为上海交通大学的沈嘉猷先生)。这是新中国成立后第一篇有关冲天炉焦炭问题的重要文章。1973年浙江大学铸工教研组曾写过《我国铸造用焦调查研究》一文，该文虽不见之于公开发表的文字记录，但可以在一些历史文献的参考文献[5]中发现其踪迹。在文献记录中，最先呼吁国家有关部门研究和生产铸造焦的代表人物是李传械先生。1980年，他代表当时的中国铸造学会质量与测试学组，在《铸工》发表了《关于组织“铸造焦炭”生产的几点建议》【司一收稿日期：2016—10—16收到初稿，2016—11_09收到修订稿。作者简介：张明(1958一)，男，工学学士，高级工程师，一直从事燃焦冲天炉、燃气化铁炉的技术研究和项目规划工作。E-maih zmdxhzyw@163．corn万方数据铸造 张明：铸造焦炭与铁焦比回眸 ·299·文。该文论述了铸造焦区别于冶金焦的特点，国内冲天炉焦炭与国外铸造焦的差距，中国铸造焦的质量标准，并对中国铸造焦的研究、生产的组织和计划提出了具体建议，文中称：“铸造用焦炭质量低劣，是铸造生产中突出的问题，长期得不到解决，是导致铸件质量低劣的主要原因之一”。中国机械工程学会铸造学会1980年5月7—13日在江苏无锡召开的第四届学术年会，来自全国29个省、市、自治区、16个部委等，198个单位302名代表，经过充分讨论，形成了拟提交给国家有关部门的《正确认识铸造焦炭的重要性和关于组织生产的建议》的建议案研。在文献记录中，1981年南京工学院的苏华钦和吴炳尧两位先生，详细地研究了焦炭在冲天炉内各区段内的状态和作用，并参照国外铸造焦的技术指标提出了中国铸造焦的质量建议标准嘲。新中国建国以来第一次研究铸造用焦的“全国铸造用焦座谈会”，于1981年7月20—25日在北京召开，该会议由原冶金部、一机部、农机部联合主持，国家计委、经委、物资总局也派代表参加了会议，与会者133名代表了全国107个单位；大会首先由全国铸造学会缪良秘书长作了《焦炭与铸件质量关系》的专题发言，沈阳铸造研究所代表作了《我国应该发展铸造焦炭》的专题报告，天津拖拉机厂、洛阳拖拉机厂、无锡柴油机厂、沈阳铸造厂的代表在大会上发了言，鞍山热能研究所代表介绍了铸造型焦[9】。缪良、钱端有、张文恺、许学谦、吴光峰、应忠堂等位先生，在该会议上发出了《生产铸造焦迫在眉睫》、《一定要把铸造焦搞上去》、 《生产铸造焦刻不容缓》等强烈一致的呼声【101。1982年4月国家计委正式下达了研制铸造焦的任务，鞍山热能研究所、无锡柴油机厂、镇江焦化厂等三个单位参照国外铸造焦技术指标，于当年6月底试制出第一批铸造焦；其主要技术指标是：固定碳90．47％、灰分8．9％、硫分0．68％、强度M40为90．5％，块度大于80 1T11TI，达到了国外水平；当年8—10月份，在无锡柴油机厂的5 t／h单排风口和多排小风口冲天炉上，对所研制的铸造焦进行了熔化试验；结果表明：该焦炭在无锡柴油机厂单排大风口冲天炉和多排小风口热风冲天炉熔炼，在焦比1：7条件下，能获得出铁温度大于1 500℃、硅烧损10％、锰烧损15％左右、炉渣中氧化铁含量小于4％的良好效果，已赶上国际先进水平【11】。由机械部、冶金部联合召集的“机械铸造行业铸造焦选点试用会议”于1 983年2月24—28日在北京召开；参加会议的有国家计委、科委、经委、物资总局和纺织、商业、铁道、汽车、造船等各部、总公司以及与焦、煤有关的研究院(所)，还有各部所属6个机械厂，京、津、沪三地机械局共70多个单位，129名代表；会议总结了无锡柴油机厂和天津拖拉机厂使用镇江铸造焦的经验，同时决定1983年铸造焦试生产的点增加山东薛城、山西临汾、湖南涟源三处【12]。1984年3月23—27日，原冶金部和机械部在江苏镇江召开了镇江焦化厂、鞍山热能研究所、无锡柴油机厂、沈阳铸造研究所共同研制的铸造焦鉴定会；85个单位139名代表参加了会议，鉴定认为： “研制成功的铸造焦质量接近先进国家的水平，填补了我国铸造焦的空白”[t31。在此后的中国文献记录中，可以发现先后有多家学校、研究单位和铸造厂对镇江铸造焦进行了大量的理论的应用研究”191。1985年5月13日至14日，无锡柴油机厂承担、无锡球墨铸铁研究所参加的国家“六五”重点科技攻关项目“铸造用焦及提高熔炼质量的研究一铸造焦熔炼效果及炉外脱硫技术的研究”，由机械部沈阳铸造研究所主持在无锡通过了技术鉴定刚。1986年， “铸造焦的工艺和装备——常规焦炉试制一级、二级、特级铸造焦”项目，获“首届国家级科技进步二等奖”，获奖单位包括鞍山热能研究所、煤炭科学研究院、沈阳铸造研究所、镇江焦化厂等四家【2”。1984年以后，中国有多地进行了铸造焦的研制，例如河北保定地区焦化厂与鞍山热能研究所合作研制了二级铸造焦，并在保定机床厂、辽宁凌源汽车铸造厂进行了熔化实验圈。江西丰城焦化厂在江西省科委的领导下，研制成功的铸造焦于1986年4月通过了省级技术鉴定吲。由哈尔滨科技大学、黑龙江省机械工业研究所、七台河市科委研制的一级铸造焦1988年1 lJq 5日在黑龙江省省科委主持下通过了技术鉴定[241。太原化工焦化厂拟建20万t／年铸造焦装置，1 988年下半年在该厂两分厂喷复热式焦炉中进行工业化试烧试验，所得产品达到国家二级铸造焦标准圜。由北京焦化厂山西分厂研制生产的龙跃特级铸造焦，经铸造厂家生产性熔炼试验后，通过专家鉴定闭。1990年12月28日，国家计委、经委“七五”期间重点节能推广项目——镇江焦化厂铸造焦煤气工程，总投资5 700多万元、经过三年多紧张施工，竣工并顺利投产，该工程可年产1 1．7万t优质铸造焦【2刀。铸造焦的研制成功，使中国冲天炉的铁液温度迈上了1 500℃的台阶，对中国灰铁铸件质量的提高具有重要意义。铸造焦从国家有关部门立项到研制成功，仅约半年时间，说明政府部门的积极干预，对新技术的研究推广有特别重要的作用。2铸造型焦回眸型焦出现的原因在于世界性焦煤资源的短缺，是万方数据-300· FOUNDRYMar．2017V01．66 NO．3一种对制焦配煤先进行压力成型，然后经1 000℃以上的炭化处理形成的有固定外形尺寸的新型焦制品。型焦的形状包括圆柱、中孔圆柱、椭球等三种。型焦生产工艺分冷压、热压两种：冷压型焦是将低挥发分的弱粘结煤或不粘结煤、或不粘结煤的半焦，配以适量的粘结剂，在粘结剂的软化温度(约100℃)下成型后炭化；热压型焦是将具有一定粘结性的配煤或单种煤加热到原煤的塑性温度(420～480℃)后成型、炭化闭。由于黏结剂和压力成型的原因，弱粘结煤或不粘结煤也可成为生产焦炭的原料，大大拓宽了制焦用煤的范围。按文献记录， 僦钢技术》1975年报道了国外型焦技术发展动向[29-30]，是中国最早报道该技术的刊物；型焦最先用于高炉炼铁，广东梅县地区的炼铁厂于1976年即开始使用型焦【3l】，是中国最早使用型焦的地区。冶金部鞍山热能研究所，在1981年在“全国铸造用焦座谈会”上即介绍过型焦，1982年该所再次提出了研制铸造型焦的建议【32]。1983年开始，鞍山热能研究所承担了冶金工业部铸造型焦的科研攻关任务，该所在对鹤壁贫、瘦煤，大同弱粘结性煤和汝其沟无烟煤，通过一系列的小型实验室工艺试验和中间试验，最后选定以鹤壁洗精煤为原料，高温煤焦油和煤焦油沥青为粘结剂，采用冷压成型并在竖炉或立箱式炭化炉炭化的工艺，成功地试生产出100多吨特级铸造型焦和自熔性铸造型焦，并分别在沈阳拖拉机厂等铸造厂家的2～5 t／h的冲天炉上进行了熔炼化铁工业试验，取得了较好的技术和经济效果；1987年鞍山热能研究所开发的冷压铸造型焦通过了冶金部的技术鉴定；铸造型焦的技术质量指标包含固定碳含量、块度、硫含量、强度、气孔率等五项，目前参照一般焦炭的检验方法检查验收口“。南京工学院的陈风采和邱盛学两位先生，是在文献记录中评价铸造型焦使用效果的较早的研究者。1986年他们曾对鞍山热能研究所研制的铸造型焦，在冲天炉的使用效果进行过测试和研究，同时称【33]：“经底焦燃烧和初步生产熔炼试验表明：底焦燃烧时，可达到较冶金焦更高的炉内温度，与镇江铸造焦接近或稍高。熔炼时，在合理的炉型和工艺参数的配合下，当层焦比为1：(9．10)时，两种成型焦均能获得出铁槽平均为1 500℃的高温优质铁液，硅、锰烧损减少，熔炼指标接近或达到镇江铸造焦的水平。”在鞍山热能研究院的技术支持下，1990年代，中国先后在山西大同、宁夏石嘴山及内蒙古乌达建成了3座年产铸造型焦4万t的热压型焦生产试验厂；2004年山西寿阳建设了年产铸造型焦1万t的冷压型焦生产试验厂例。据不完全统计，目前中国宁夏石嘴山、宁夏平罗、宁夏贺兰、山西大同、山西洪洞、山西晋城、河北唐山、河北井陉、河南济源、河南商丘、内蒙古乌达、陕西榆林、江苏徐州、安徽合肥、湖南涟源等地，均有铸造型焦的生产厂商。铸造型焦有利于中国焦煤资源的可持续利用，具有固定碳含量高，致密且块度均匀，含硫量低，反应性低，碎屑少、人炉率高的优点，是冲天炉焦炭未来技术发展的方向，但至今中国只有少数工厂使用铸造型焦。3铁焦比回眸铁焦比和焦铁比互为倒数，使用前者更为方便。至今常有人称“冲天炉的焦铁比由1：6提高到了1：8”，这种违背数学概念的说法为大家所默认，堪称科技界的一项趣闻。从1949年到1980年代的三十多年间，中国对冲天炉铁焦比的认识，经历了由无视到盲目片面追求、到目前的基本理性和客观的过程。在的文献记录中，尚未发现共和国建立初期有人论述过冲天炉的铁焦比。甚至在1951年到1952年之间的“增产节约运动”期间，也未曾发现有人提及节省焦炭的问题，当时人们似乎并不刻意关注铁焦比。共和国成立后，首批涉及冲天炉节省焦炭、提高铁焦比的三篇文章，见之于1957年的《铸工》和《机械工人》。沈阳铸造厂∞通过增加三排风口冲天炉的排距、缩小风口直径，使用立山产冶金焦，含底焦在内的总铁焦比从6．5猛增至16，冲天炉改装前后炉渣的颜色均较深、呈黑色，该厂透露： “这次提高焦铁比的目的，更重要的意义是解决了焦炭来源的不足，从而满足国民经济的发展。”沈阳通用机器厂口q从1957年1月10 El起，学习了沈阳同和铸造厂的经验， “解决了焦炭供应不足的矛盾”，不含接力焦和底焦的层铁焦比从8．9猛增至18．5～20，炉渣中FeO的质量分数为15．84％。该厂称， “我们用的是铸造焦炭”，其化学成分为：固定碳83．15％，挥发物2．3％，灰份14％，硫0．45％；块度为40～100 mlTl；另外掺人30％土焦(固定碳80％，灰分16．8％～25．78％，硫0．44％～0．55％)；熔化中途，每隔18批层料加一次重量为20 kg的接力焦。上述两厂大幅度提高铁焦比的做法，很快受到了人们的异议。启明先生在《读“提高焦铁比”二文后》【37】一文中，通过当时炉料价格的计算，认为上述两厂提高铁焦比得不偿失。该文透露了1 957年东北地区的炉料价格：焦炭80元／t、硅铁l 100元／t、锰铁670元／t、生铁150元／t。该文虽无指明有关炉料的质量等级，但该数据仍属难得的历史资料。万方数据铸造 张明：铸造焦炭与铁焦比回眸 ·301·另外，沈阳同和铸造厂【38]通过增加冲天炉的有效高度，改变风口参数，不含底焦的铁焦比从9猛增到17～18。吉林省农具厂的搀炉通过增加炉身高度，改变风口参数，铁焦比从6猛增到了11[39]。中国为什么从1957年开始突然开始关注节省焦炭、提高铁焦比?沈阳铸造厂和沈阳通用机器厂在其文章中已有透露，焦炭产量不足、供应紧张导致上述两厂开始关注提高铁焦比。笔者查阅了1956年下半年、1957年上半年有关铸造会议的议题，尚未发现有哪次会议提出了节省焦炭的议题或指示。1957年7月，中国机械工程学会北京分会和铸工编辑委员会在北京联合召开的改善冲天炉工作座谈会上，甚至针对当时盲目追求铁焦比的倾向，提出过“过高的提高焦铁比，实际上是燃烧合金、节约焦炭，并不经济”的指导性意见。1957年中国铸造厂开始的提高铁焦比的风潮，并非出于国家有关部门的推动，确系焦炭产量不足、供应紧张所致。由于焦炭供应紧张局面无法得到改变，所以一些专家和组织的呼吁和正确意见未能得到落实，追求铁焦比的倾向未能达到纠正。例如：1958年，沈阳农业机械厂铸造车问在《提高冲天炉热效率的经蚴[加]一文中称，该厂1957年5月始，不含底焦、含接力焦在内的铁焦比达到22～23左右；该文记录了当时该厂的焦炭供应困难和质量状况： “我厂使用鞍山焦，由于焦炭供应困难，其块度大小均不能按大炉工艺守则的规定供应，层焦块度大部分在25～40 inln，焦炭化学成分为：固定碳85．06％，挥发物1．89％，含硫量0．8l％，灰份13．78％，水分0．27％。”1960年，石家庄新生机械厂通过冲天炉技术改造，利用附加燃料的炉外热风窑室得到约350℃的热风，利用土焦生产铸件，铁焦比由6～8猛增至15～17，该厂所用土焦的化学成分为：固定碳71％～75％，挥发物0．1 5％，含硫量0．75％，灰份24．34％[4”。在有关铁焦比的历史文献中，铁焦比最高的记录竟高达不可思议的300。潍坊柴油机厂1960年3月27日，在“焦铁比提高至1：300投产试验初步总结”一文中称【42]： “我厂铸工车间熔量5 t／h的两台冲天炉轮班生产，投产以来焦铁比一直保持在1：5左右，铁水温度在1 370 1 380℃，熔化率在4讹左右。由于铁焦比低，在焦炭供应工作上带来了极大的压力，不时因焦炭缺乏和运输的困难而停炉。”“我们学习了上海新太机器厂焦比1：50的先进经验，在学习中不断批判右倾保守思想，采取了若干技术措施，经过一周左右时间的熔化试验，终于创造了铁焦tE300的记录。”潍坊柴油机厂创造铁焦tt300记录的冲天炉，其结构特征为：直筒炉膛、三排风口、二次送风、前炉回气。1 966年4月到6月间，一机部二局机床铸造工作组，在中国华东、东北、华北、华中地区调查了56台冲天炉，其中包括10 t／h及其以上的冲天炉8台，3～5 t／h的冲天炉48台。调查涉及的上海、无锡的11台冲天炉中，绝大部分使用罗茨鼓风机、曲线炉膛和密筋炉胆，熔化率在2．5～10讹，铁液温度在1 370 1 440℃之间，总铁焦比多在10左右，其中最低为8、最高为16。该工作组当时认为[43]： “在机床铸造中，由于铸件牌号较多，铸件结构复杂，壁厚悬殊，在提高铁水温度方面做了很多工作，但一般铁焦比偏低，铁水温度在1 4001 480℃水平。”1968年，青岛缝纫机厂冲天炉采用曲线炉膛、密筋炉胆，该厂称取得了显著效果，铁焦比由6提高到18，铁液温度稳定在1 350～1 380℃、最高常达1 400℃，风机为罗茨鼓风机删。1974年，杭州铸造厂在浙江大学铸工教研组和杭州市工代会铸工交流队的协助下，用优选法优选多排小风口的参数，将冲天炉的总铁焦比为由11～12提高到了17～17．6，层铁焦比21～23，铁液温度仍保持在1 390 1 420℃左右，燃烧系数由86％～93％提高到92％～97％r45]。1975年，南京纺织机械修造厂对旧式冲天炉进行了改造，建成了多排小风口曲线炉膛热风冲天炉，使用固定碳约为75％的南京焦，总铁焦比达17左右，层铁焦tE20．5M。中国1960到1970年代之间盲目追求铁焦比的风潮，虽确有漠视科学的因素，但与当时的焦炭产量不足、供应紧张有直接关系。此期间煤粉、燃油、天然气等化铁炉的蓬勃发展，可以从侧面证明这一观点。中国机械工程学会铸造学会第四届学术年会于1980年5月6 13至13日在无锡召开，会议主题为铸件质量，冲天炉的铁焦比是会议重点讨论的问题之一。铸造学会在会后撰写的《关于冲天炉铁焦比的建议》一文，对当时片面追求铁焦比、忽视铸件质量、金属元素烧损严重的倾向提出了明确的批评意见M。以1 980年5月的铸造学会第四届学术年会为标志，人们关于冲天炉铁焦比的观念逐步趋于理性化。例如，湖北省1983年到1984年开展了“首届冲天炉熔炼技术质量竞赛”，期间湖北省机械研究所对全省38个工厂、39台冲天炉进行了测试考核。这些冲天炉的平均铁碳比在10左右，铁液温度在1 436～1 474℃，炉渣中FeO的质量分数在3．95％～5．71％，熔化强度在8．87～9．63 t／(m2·h)，热效率在3 1．50％～37．32％E48J。但是由于习惯思维的缘故，片面看待铁焦比的观念仍存在于许多人的认识中。例如，有人因水冷热风冲天炉的焦炭消耗并不低于普通冲天炉，而否定该炉的先进性。这种忽视铁、硅、锰等金属元素的烧损，万方数据FoUNDRYMaf．2017VO|_66 NO．3以铁焦比作为冲天炉性能优劣判断标准的认识，说明了片面的铁焦比观念在人们观念中仍然根深蒂固。在经济效益综合分析的基础上，多数人们建立起科学的铁焦比观念，任重而道远。焦炭是工业生产的基本原料，焦炭的品种和质量，以及人们对焦炭的认识水平，折射了一个国家的工业水平。我国冲天炉铸造焦炭的发展历史，铁焦比观念的进步，从一个侧面记录了共和国成立以来中国工业快速发展的步伐。参考文献：f1】李香洲．采用合金铸铁提高机器质量[J]．机械，1951(1)：12．【2]陈农．现代铸工[M]．上海：大东书局，1952：350—351．【3]沈洪家．我国优质铸造焦的研制与节能[J]煤炭加工与综合利用，1984(1)：58—66．[4]猷．国外冲天炉用燃料的发展概况[J]上海机械，1962(5)：40—41．[5】林仪媛，庄湘生，张鉴明．开发铸造型焦合理利用能源【J]冶金能源，1982(6)：15—17，9．【6]6 李传械．关于组织“铸造焦炭”生产的几点建议【J]铸工，1980(4)：51-54．[7】铸造机械编辑部．中国机械工程学会铸造学会召开四届年会[J]铸造机械，1980(5)：42．【8]苏华钦，吴炳尧．冲天炉焦炭最佳性能的探讨【J】铸工，1981(4)：1-5，21．[9]铸工编辑部．全国铸造用焦座谈会在北京召开[J]铸工，1981(6)：10．[10]铸工编辑部．全国铸造用焦座谈会专题报导[J]．铸工，1981(6)：l一10．[1 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